陳利幫，陳 春，顧 韜

骨水泥修復(fù)頸椎前路椎體螺釘釘?shù)赖纳锪W(xué)研究

陳利幫，陳 春，顧 韜

目的 評(píng)價(jià)聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）修復(fù)頸椎前路椎體螺釘釘?shù)赖纳锪W(xué)效果。方法 防腐成人頸椎標(biāo)本（C3～7）共30個(gè)，分3組：正常骨密度組（A組）、骨質(zhì)疏松組（B組），骨質(zhì)疏松修復(fù)組（C組），各組10個(gè)標(biāo)本，測(cè)試疲勞前后的最大軸向拔出力。A、B對(duì)照組椎體二側(cè)釘孔均放置4mm的椎體螺釘，隨機(jī)選擇一側(cè)行即時(shí)最大拔出力實(shí)驗(yàn)，另一側(cè)在疲勞實(shí)驗(yàn)（2Hz，20000次）后行最大拔出力實(shí)驗(yàn)。C組（實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行螺釘拔松實(shí)驗(yàn)）注入PMMA0.6～1.0mL，并擰入螺釘，隨機(jī)選擇一側(cè)進(jìn)行即時(shí)和疲勞后最大拔出力實(shí)驗(yàn)。結(jié)果 A、B、C組即時(shí)拔出力明顯高于疲勞后拔出力，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），C組疲勞后與A組即時(shí)拔出力比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），但高于B組即時(shí)拔出力，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。即時(shí)拔出力C組＞A組＞B組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。疲勞后拔出力C組＞A組＞B組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。PMMA注射后未發(fā)現(xiàn)釘?shù)罎B漏。結(jié)論 PMMA釘?shù)佬迯?fù)能夠明顯增強(qiáng)椎體螺釘?shù)募磿r(shí)穩(wěn)定性和抗疲勞能力，并且安全有效，適用于螺釘松動(dòng)和拔出的修復(fù)固定。

頸椎；聚甲基丙烯酸類；生物力學(xué)；內(nèi)固定器

JSpinalSurg，2015，13（4）：238-242

頸椎前路椎間融合術(shù)（anteriorcervicalinterbody fusion，ACIF）是治療頸椎退行性病變的常用術(shù)式，以能夠提供堅(jiān)固的內(nèi)固定并能獲得自然融合而得到廣泛應(yīng)用［1-2］。然而對(duì)于骨質(zhì)疏松或需要多節(jié)段融合的患者，椎體螺釘要獲得足夠的把持力仍然比較困難。近年來(lái)，利用椎弓根的釘?shù)缽?qiáng)化技術(shù)治療和修復(fù)胸腰椎損傷已經(jīng)有了大量的研究，并且在臨床上得到廣泛應(yīng)用［3-4］。本研究嘗試使用聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）骨水泥修復(fù)頸椎前路椎體螺釘釘?shù)?，分析在修?fù)前后、疲勞前后等不同狀態(tài)下螺釘?shù)纳锪W(xué)特點(diǎn)，以期為臨床實(shí)施螺釘松脫翻修術(shù)提供生物力學(xué)依據(jù)，為頸椎鋼板前路固定術(shù)的技術(shù)改良提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本

選擇甲醛浸泡10具人尸體頸椎椎體標(biāo)本（3例健康志愿者，7例老年女性標(biāo)本），均攝X線片，排除椎體骨折、腫瘤、結(jié)核、炎癥和先天性畸形。每具標(biāo)本取C3～7共5個(gè)椎體，采用雙能X線骨密度測(cè)量?jī)x（DEXA，LunarProdogy型GE公司美國(guó)）測(cè)定每具標(biāo)本C3～7椎體的骨密度（bonemineraldensity，BMD）。分離成單個(gè)椎骨，去除纖維環(huán)及髓核，使棘突和椎板與牙托粉緊密粘附，保留椎體，制成50個(gè)單椎體標(biāo)本。依據(jù)骨密度隨機(jī)選擇30個(gè)椎骨編號(hào)置密封塑料袋中待用。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.2.1 螺釘

頸椎前路單皮質(zhì)骨自攻實(shí)心螺釘（佛山施泰寶外科植入物有限公司），材質(zhì)為鈦合金。螺釘長(zhǎng)12.8mm，螺紋長(zhǎng)10mm，螺紋深0.6mm，螺距1.5mm，螺釘尾部直徑4.5mm。按照頸椎前路鋼板置入要求先進(jìn)行絲攻，然后置入螺釘，置釘角度與頭尾側(cè)成15°，置釘深度12mm［5］。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)分組及修復(fù)方法

按骨密度值將30個(gè)椎體平均分為3組：正常骨密度組（A組）、骨質(zhì)疏松組（B組），骨質(zhì)疏松修復(fù)組（C組）。A和B組（對(duì)照組）椎體兩側(cè)均絲攻后置入直徑為4mm的實(shí)心螺釘，2組椎體釘兩側(cè)隨機(jī)選擇分別進(jìn)行直接軸向拔出實(shí)驗(yàn)和屈曲疲勞加載實(shí)驗(yàn)（2Hz，20000次）后行軸向拔出實(shí)驗(yàn)。C組（實(shí)驗(yàn)組）椎體置入實(shí)心螺釘進(jìn)行拔松（BOSE3510-AT顯示達(dá)到最大拔出力，馬上停止負(fù)荷）后，其中一側(cè)用5mL注射器經(jīng)穿刺針向破壞的釘?shù)雷⑷氚幢壤旌系腜MMA（粉：液=3：2）0.3～0.5mL，5min后擰入實(shí)心螺釘，為了防止PMMA滲漏到椎孔或椎管里，注射過(guò)程均采用手動(dòng)灌注。室溫下（25℃）放置2h（PMMA在室溫下自行固化的時(shí)間約為30min，1h后達(dá)最大強(qiáng)度），行拔出實(shí)驗(yàn)。另一側(cè)也是按照上述步驟進(jìn)行，放置1h后先進(jìn)行屈曲（2HZ，20000次）疲勞實(shí)驗(yàn)后再進(jìn)行軸向拔出實(shí)驗(yàn)，循環(huán)載荷由位移控制以避免產(chǎn)生過(guò)大的剪切力。左右側(cè)釘?shù)肋M(jìn)行處理方式的概率同上［6］，此實(shí)驗(yàn)是為了模擬術(shù)后對(duì)松動(dòng)的椎體進(jìn)行翻修實(shí)驗(yàn)，減少人為誤差，所有標(biāo)本左右側(cè)釘?shù)赖奶幚黼S機(jī)選擇并保證概率相等。

1.2.3 自制螺釘拔出夾具

制作一個(gè)圓柱型雙層套筒（前端弧口直徑4mm，與螺釘尾部正好吻合，高度為2.5mm），總長(zhǎng)為80mm。長(zhǎng)套筒長(zhǎng)為60mm，短套筒長(zhǎng)25mm，直徑為10mm，相當(dāng)于頸椎前路鋼板的高度和螺釘?shù)闹睆?。在頭端的內(nèi)面攻入螺紋，然后從尾端旋入螺絲擰緊以固定螺釘尾端。長(zhǎng)套筒尾端有兩側(cè)孔，其前端弧形豁口與屈曲壓縮連接件（長(zhǎng)20mm）形成鉸鏈（南方醫(yī)科大學(xué)廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制造，見(jiàn)圖1，2）。

圖1 疲勞加載圖Fig.1 Fatigue-testing

圖2 螺釘軸向拔出力圖Fig.2 Axialpullouttesting

1.2.4 循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行螺釘軸向拔出實(shí)驗(yàn)之前先進(jìn)行加固與非加固螺釘?shù)闹芷谛郧趯?shí)驗(yàn)，以模擬堅(jiān)固固定后螺釘在體內(nèi)長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。標(biāo)本固定在自制三維夾具上，使循環(huán)載荷力臂軸垂直于椎體螺釘?shù)牧Ρ圯S［6］并向鉸鏈處經(jīng)常噴灑潤(rùn)滑劑以減少實(shí)驗(yàn)誤差。每個(gè)螺釘均放置在長(zhǎng)8cm的自制夾具上，通過(guò)一個(gè)鉸鏈適配器連接與加載力臂桿連接，通過(guò)BOSE3510-AT機(jī)器加載載荷做屈伸疲勞載荷（2Hz，20000次）。前期學(xué)者研究證實(shí)軸向上下1.5mm的位移能夠在螺釘尖端產(chǎn)生2N·m的力矩［6-8］。循環(huán)載荷以1.5mm位移控制以避免產(chǎn)生過(guò)大的剪切力［6］（見(jiàn)圖1）。

1.2.5 軸向拔出實(shí)驗(yàn)

當(dāng)PMMA注射完畢后，拔出實(shí)驗(yàn)在BOSE3510-AT材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上通過(guò)自制的軸向拔出力裝置進(jìn)行，單個(gè)椎體后部用牙托粉包埋固定于特制的固定臺(tái)鉗上，調(diào)整固定椎體后部臺(tái)鉗的角度，使椎體釘?shù)拈L(zhǎng)軸與實(shí)驗(yàn)機(jī)的拉伸方向一致。沿椎體螺釘?shù)拈L(zhǎng)軸方向以0.25mm/min的恒定速度拔出，繪制拔出力—位移曲線，曲線的頂點(diǎn)值定義為螺釘?shù)淖畲筝S向拔出力。當(dāng)螺釘在拔出過(guò)程中拔出力達(dá)到最高點(diǎn)并開始下降時(shí)即停止拉伸。以載荷變形曲線出現(xiàn)最高點(diǎn)為椎體螺釘拔出破壞的標(biāo)準(zhǔn)，即螺釘?shù)淖畲筝S向拔出力出現(xiàn)下降［6］（見(jiàn)圖2）。

1.2.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，各組同一標(biāo)本內(nèi)即時(shí)或疲勞后最大軸向拔出力作配對(duì)t檢驗(yàn)；3組之間疲勞前后的最大軸向拔出力實(shí)驗(yàn)做單因素方差分析（One-WayANOVAN）。所有數(shù)據(jù)資料以 xˉ±s表示，檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α= 0.05。

2 結(jié)果

各組疲勞前后拔出力見(jiàn)圖3。A組的BMD值為（0.80±0.09）g/cm2，B組為（0.41±0.16）g/cm2，C組為（0.45±0.11）g/cm2。A組與其他2組相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。C組疲勞后拔出力與A組即時(shí)拔出力比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），但高于B組即時(shí)拔出力，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。即時(shí)拔出力C組＞A組＞B組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。疲勞后拔出力C組＞A組＞B組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。PMMA注射后未發(fā)現(xiàn)椎體釘?shù)罎B漏（見(jiàn)圖4）。

圖3 各組疲勞前后拔出力Fig.3 Pulloutforceamong3groups

圖4 X線示椎體螺釘置入后未發(fā)現(xiàn)PMMA滲漏Fig.4 RoentgenographshowsnoPMMAcementleakageaftervertebral screwinsertion

3 討論

ACIF是治療退行性病變、脊柱創(chuàng)傷、腫瘤等常用術(shù)式［9］，盡管ACIF在臨床上行之安全有效，但仍有螺釘松動(dòng)、脫落或斷裂的病例報(bào)道，骨質(zhì)疏松或多節(jié)段損傷患者由于其釘?shù)拉h(huán)境較差更容易發(fā)生［10］。其他諸如多節(jié)段鋼板固定，翻修過(guò)程中反復(fù)攻絲或者自、異體骨內(nèi)植不可靠等也易是造成以上結(jié)果的因素［11-12］。目前解決這一問(wèn)題的方法有強(qiáng)化螺釘材料、改善螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)螺釘置入方法等，其中骨水泥釘?shù)缽?qiáng)化技術(shù)比較廣泛地應(yīng)用于臨床［13-14］。Cho等［15］在尸體標(biāo)本研究中發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松的椎弓根經(jīng)骨水泥強(qiáng)化后，椎弓根釘?shù)男雠ぞ剌^初始單純旋入椎弓根釘增加，但＜1N·m，不影響旋出，骨水泥強(qiáng)化后椎弓根釘可安全退出。Blattert等［16］在骨質(zhì)疏松脊柱上置入中空帶側(cè)孔椎弓根釘，PMMA骨水泥強(qiáng)化后測(cè)量旋出扭矩，結(jié)果發(fā)現(xiàn)旋出過(guò)程中椎體內(nèi)骨水泥團(tuán)塊并不隨釘?shù)男D(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，旋出扭矩約為非骨質(zhì)疏松對(duì)照組的1/3，但以上所研究的只是翻修螺釘?shù)募磿r(shí)生物力學(xué)效果，對(duì)于螺釘長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)仍然不清楚。

3.1 PMMA骨水泥加固技術(shù)

有研究表明PMMA骨水泥螺釘加固技術(shù)能夠解決內(nèi)固定強(qiáng)度不夠的難題，并且操作簡(jiǎn)易，固定可靠，機(jī)械性能良好，能夠顯著增加椎體螺釘?shù)姆€(wěn)定性，因此螺釘加固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于臨床［17］，并取得良好的生物力學(xué)效果［4］。目前PMMA加固技術(shù)是強(qiáng)化或修復(fù)椎體或椎弓根螺釘?shù)某Ｓ梅椒ā４罅繉?shí)驗(yàn)證明PMMA能夠?yàn)楣恰葆斀缑嫣峁﹫?jiān)固內(nèi)固定，通過(guò)向釘?shù)纼?nèi)注入骨豁合劑可達(dá)到改變固定界面、強(qiáng)化螺釘?shù)哪康模?8-19］。Zindrick等［20］研究表明，不加壓的PMMA可使已剝離的椎弓根螺釘?shù)陌纬鰪?qiáng)度恢復(fù)至剝離前的水平，而加壓強(qiáng)化后的拔出強(qiáng)度能達(dá)到剝離前的2倍，用PMMA加壓或不加壓強(qiáng)化椎體，最大軸向拔出力分別增加49％和196％。陳躍平等［21］采用16個(gè)新鮮椎骨標(biāo)本進(jìn)行修復(fù)和強(qiáng)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大軸向拔出力分別增加了45％和80％。本研究發(fā)現(xiàn)，從PMMA在螺釘周圍分布的形態(tài)看，PMMA在椎體內(nèi)沿釘?shù)莱拾魻罘植?，螺釘旋入擠壓，注入的PMMA與松質(zhì)骨交互在一起，擴(kuò)大了PMMA與骨的界面，增加了螺釘與骨質(zhì)的拔出力，并且螺釘與PMMA緊密結(jié)合，克服了骨—釘界面連接不牢固的缺陷。

3.2 影響椎體螺釘穩(wěn)定性的因素

軸向拔出實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)不同螺釘把持力的常用方法［3-4，12］，但其只能反映螺釘在體內(nèi)的即時(shí)穩(wěn)定性，不能評(píng)價(jià)螺釘在體內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定性情況。螺釘?shù)钠谒蓜?dòng)次數(shù)和軸向拔出力是反映椎體螺釘穩(wěn)定性的良好指標(biāo)［22］。為模擬頸椎前路手術(shù)后加用外固定時(shí)的生理應(yīng)力，本研究進(jìn)行了周期屈伸疲勞實(shí)驗(yàn)。循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)骨—螺釘界面破壞很大，研究發(fā)現(xiàn)在屈伸循環(huán)加載20000次后，破壞實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致正常對(duì)照組、骨質(zhì)疏松組的軸向拔出力分別減少37.50％和43.20％。PMMA修復(fù)后椎體螺釘?shù)妮S向拔出力顯著增加骨—螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度，雖然在疲勞后軸向拔出力減少了32.08％，但仍然高于2個(gè)對(duì)照組。本研究證實(shí)椎體螺釘修復(fù)技術(shù)與正常對(duì)照組相比能夠提供更高的固定強(qiáng)度，為臨床提供一種更好的內(nèi)固定方法。通過(guò)加固椎體螺釘，使最大軸向拔出力增至467.60N，說(shuō)明PMMA修復(fù)骨質(zhì)疏松椎體螺釘系統(tǒng)能使螺釘穩(wěn)固性達(dá)到甚至超過(guò)正常成人的穩(wěn)定水平，使老年脊柱骨質(zhì)疏松患者得到堅(jiān)固固定。本研究前期實(shí)驗(yàn)也證明PMMA加固技術(shù)能顯著增加頸椎前路鋼板螺釘系統(tǒng)的即時(shí)穩(wěn)定性和抗疲勞能力，并且提供一種良好的生物力學(xué)環(huán)境［23］。

本研究對(duì)PMMA修復(fù)前路椎體螺釘?shù)纳锪W(xué)效果做了初步評(píng)價(jià)，但在體內(nèi)的生物力學(xué)特性仍需進(jìn)一步研究。雖然本研究有許多不足，但結(jié)果仍有助于指導(dǎo)臨床診療，且為外科醫(yī)生在是否使用PMMA或其他骨水泥上提供決策。本研究為臨床安全實(shí)施骨質(zhì)疏松椎體螺釘翻修術(shù)或修復(fù)多節(jié)段骨質(zhì)疏松前路鋼板螺釘提供生物力學(xué)依據(jù)，為頸椎鋼板前路固定的技術(shù)改良提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

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Restorationscrewchannelofpediclescrewfixationwithpolymethylmethacrylate：invitrobiomechanicalstudy

CHENLi-bang*，CHENChun，GUTao.*WestAnhuiHealthVocationalCollege，Lu'an237000，Anhui，China

Objective Toevaluatethebiomechanicalefficacyofpolymethylmethacrylate（PMMA）inrestorationscrew channelofanteriorcervicalunicorticalscrewfixation.Methods Thirtyvertebralbodies（C3-7）werefrom10formalinadult corpses（LaboratoryofAnatomy，SouthernMedicalUniversity），and30vertebralbodies（10foreachgroup）wererandomly selectedanddividedinto3groups（A：healthygroup；B：osteoporosisgroup；C：restorationgroup）.Allspecimenswere subjectedtopulloutforcestestingonBose3510-ATfatiguetestingmachine，andmeasurementsweretakenbeforeandafter fatigue.IncontrolgroupsAandB，2pilotholesoneachsideof20vertebralbodieswereimplantedwithvertebralscrews.Eachsiderandomlyreceivedeitheracutepulloutforcesorpulloutforcesbeyondfatiguewhichwasensuredusingcyclical loading（2Hz，20000times）.IngroupC，pilotholesweredrilledparalleltosagittalplane，theninjectedwith0.6-1.0mL ofPMMAbeforethevertebralscrewwasinserted.SimilartogroupsAandB，thesideswererandomlychosentoevaluatacute pulloutforcesandpulloutforcesbeyondfatigue.Results Theacutepulloutforceswereobviouslyhigherthanpulloutforces beyondfatigueineachgroup（P＜0.05）.ComparedpulloutforcesbeyondfatigueofgroupCtoacutepulloutforcesofgroup A，therewasnosignificantdifferences（P＞0.05）.ComparedtoacutepulloutforcesofgroupB，therewassignificant differences（P＜0.05）.Theacutepulloutforces，groupC＞groupA＞groupB（P＜0.05）.Thepulloutforcesbeyond fatigue，groupC＞groupA＞groupB（P＜0.05）.NoPMMAleakagewasfoundinthescrewchannel.Conclusion Restorationscrewchannelofpediclescrewfixationwithpolymethylmethacrylatecanimproveprimarystabilityof screwanditsanti-fatigueability.Itissafeandeffectivetorestoreandfixthescrewlooseandpulled-out.

Cervicalvertebrae；Biocompatiblematerials；Biomechanics；Internalfixators

R318.08

A

1672-2957（2015）04-0238-05

】

10.3969/j.issn.1672-2957.2015.04.011

2015-03-07）

（本文編輯 于 倩）

陳利幫（1974—），碩士，醫(yī)師

237000 安徽，皖西衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院（陳利幫）；溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科（陳春）；海軍總醫(yī)院骨科（顧韜）

陳春 chenchunkk@163.com